06 Izolanty a dielektrika

Izolanty a dielektrika - Jaký je rozdíl mezi izolantem a dielektrikem?

Elektrický izolant

Elektrický izolant je látka, která nevede elektrický proud. Elektrický izolant neobsahuje volné částice s elektrickým nábojem, nebo je obsahuje v zanedbatelném množství. Zamezuje průtoku elektrického proudu mezi vodiči, které mají rozdílný elektrický potenciál.

Dobrými izolanty jsou porcelán, sklo, většina plastů, dřevo, papír, za normálních podmínek i vzduch nebo jiné plyny.

Dielektrikum

Často se zaměňují pojmy izolant a dielektrikum. Dielektrikum je materiál, který má schopnost polarizace. Každý izolant je dielektrikum, ne každé dielektrikum je izolant (např. voda). Vzhledem k atomové struktuře všech běžných látek a díky polarizovatelnosti atomu je (s výjimkou vakua) tento rozdíl spíše teoretický.

Izolanty jsou podmnožinou dielektrik, každý izolant je dielektrikem, nikoli však každé dielektrikum jeizolantem!!!

Vložením izolantu do elektrického pole nastává jev, který se nazývá polarizace dielektrika. Při polarizaci se z atomů nebo molekul dielektrika (nepolární dielektrikum) působením přitažlivé a odpudivé elektrické síly stanou elektrické dipóly – dojde k nesymetrickému rozložení částic s elektrickým nábojem uvnitř atomů nebo molekul (blíž k jedné straně elektrony, blíž ke druhé straně jádro atomu). Taková polarizace se nazývá atomová polarizace. Některé látky (polární dielektrika, např. voda) obsahují elektrické dipóly i bez působení vnějšího elektrického pole. Jejich směr je ale chaotický a při polarizaci dojde pouze k uspořádání dipólů do jednoho směru. Taková polarizace se nazývá orientační polarizace.

Všechny elektrické dipóly mají při polarizaci stejnou polaritu opačnou k polaritě vnějšího elektrického pole. Tím se velikost vnějšího elektrického pole zmenšuje. Poměr intenzity E₀vnějšího elektrického pole k intenzitě výsledného elektrického pole E udává relativní permitivita dielektrika ε_r:

Vodivost

Příčina vodivosti

Elektrony se pohybují a naráží na neutrální částice (nárazová ionizace), které ionizují. Při velkém počtu částic může dojít k elektrickému průrazu izolantu, tzn., že izolant přestane být izolantem a stává se součástí vodiče.

Rozdělení izolantů:

–     Plynné

-     Kapalné

-     Pevné

Plynné izolanty

Obecnými vlastnostmi plynných izolantů jsou: nejnižší relativní permitivita (dielektrická konstanta), dielektrické ztráty prakticky nezávislé na frekvenci (pro neionizované), nízká hodnota konduktivity (měrné elektrické vodivosti), schopnost regenerace el. průrazu, rovnoměrné vyplnění prostoru, zvýšením tlaku dochází ke zvětšení elektrické pevnosti, zvýšením teploty dochází ke snížení elektrické pevnosti.

Vzduch - se jako izolant využívá pro venkovní vedení, vzduchové kondenzátory a transformátory. Pro vysokonapěťová zařízení musí být stlačen.

Vodík - je nejlehčí, má nejnižší elektrickou pevnost, má 7× větší tepelnou vodivost než vzduch. Využití vodíku jako chladícího média u velkých elektrických točivých strojů. Oproti vzduchu (který obsahuje kyslík) nepůsobí oxidačně. Velká nevýhoda vodíku je hořlavost a výbušnost ve směsi se vzduchem. Další využití nalézá v oblasti kryogenní techniky, jako umělá atmosféra při výrobě polovodičů….

Dusík - Rovněž se využívá jako chladící médium jako vodík. Na rozdíl od vodíku je ale chemicky stabilní a netvoří výbušnou směs se vzduchem. Využití nachází v kapalné podobě jako chladící médium v kryogenní technice, v suchých výkonových transformátorech a jako inertní atmosféra v olejových transformátorech

Oxid uhličitý - je těžší než vzduch, používá se ve stlačeném stavu jako dielektrikum vysokého napětí kapacitních normálů a někdy jako náplň ve výbojkách.

Vzácné plyny jsou: helium, neon, argon, krypton a xenon.

Jsou to plyny inertní (netečné), využívají se často jako směsi s dusíkem v osvětlovací technice.

Elektronegativní plyny obsahují chlor, fluor, což zvyšuje jejich elektrickou pevnost.

 Fluorid sírový (SF6) - je 5x těžší než vzduch, má vysokou el. pevnost, je chemicky stabilní do 200 °C. Při vyšší teplotě dochází k rozkladu na toxické látky. Používá se v

zapouzdřených rozvodnách, transformátorech, vlnovodech a v koaxiálních kabelech.

Fluorokarbony – skupina obsahující hexafluormetan, oktofluoropropan, oktofluorocyklobutan. Jsou teplotně stabilnější (cca 220 °C), netoxické (vylučují uhlík, ale nedochází ke vzniku toxických produktů).

Chlorfluorkarbony - např. dichlordifluormetan (freon). Při běžných teplotách netoxický, chemicky stabilní (při teplotách nad 700 °C se rozkládá a vzniká jedovatý fosgen, kyselina chlorovodíková a kyselina fluorovodíková. Užívá se jako izolace u vysokonapěťových transformátorů a rentgenových zařízení.

Kapalné izolanty

Kapalné izolanty se dělí na přírodní, kam patří skupina rostlinných olejů (směsi esterů, glycerinů a nenasycených mastných kyselin) a skupina minerálních olejů (směs různých uhlovodíků), a syntetické kapaliny (polybutyleny, chlorované uhlovodíky, fluorované sloučeniny, organické estery, silikonové kapaliny).

Obecné vlastnosti kapalných izolantů:

Vysoká elektrická pevnost, vysoký izolační odpor, dobrá tepelná vodivost, zaplňují póry a dutiny.

Minerální oleje jsou toxické, jsou různými směsmi uhlovodíků z lehkých olejů, vyrábí se destilací ropy.

Dělí se dále dle praktického využití:   

• transformátorové
• kabelové
• kondenzátorové

Pevné izolanty

Anorganické amorfní - Velkou skupinou tohoto druhu pevných izolantů jsou skla, skleněná vlákna. Skleněná tkanina vytváří nosnou složku, kterou spojuje pryskyřice a vytváří elektrotechnický materiál.

 skleněné pájky – nízkotavitelná skla. Dělí se dále na zátavová a obyčejná (alkalická)

Anorganické krystalické

azbest - z azbestu se vyrábí azbestový papír, používaný jako mezizávitová izolace. Dále azbestová lepenka používaná jako vnitřní izolace krytů vypínačů a azbestové desky používané jako dělicí stěny v rozvodnách

slída - ze slídy se vyrábí slídový papír. Slída rozmělněná na jemné částečky se zpracovává na papírenských strojích buďto chemicky nebo mechanicky. Vyrábí se jako fólie a využívá se jako izolační systém elektrických strojů.

Organické přírodní a syntetické

živočišné - šelak, hedvábí

rostlinné - kalafuna, kopál, jantar, dřevo

termoplasty - vodní trubky

reaktoplasty

elastomery (kaučuky)